基于微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器的智能服裝研究進(jìn)展

姚之杰,朱達(dá)輝

(東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200051)

隨著時(shí)代科技的快速發(fā)展以及工業(yè)數(shù)字化的轉(zhuǎn)型升級(jí),智能服裝受到越來(lái)越多人的關(guān)注。智能服裝是多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的產(chǎn)物,其集成了先進(jìn)技術(shù)與前沿紡織材料,通過(guò)置入各類微型化、柔性化的電子元器件,智能服裝滿足了人們除日常服用需求以外的多種功能性需求,因此在運(yùn)動(dòng)健身、醫(yī)療保健、軍事安全、特殊作業(yè)等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用與研究[1-2]。智能服裝的基本構(gòu)成包括服裝本體、傳感器、處理器、執(zhí)行器及電子單元等,其中傳感器作為核心組件決定了智能服裝的功能特點(diǎn)。

慣性傳感器是常見(jiàn)的智能傳感器之一,主要應(yīng)用在游戲設(shè)備、平板電腦以及智能手表、智能手環(huán)等可穿戴設(shè)備中。隨著近幾年微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system, MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展,基于MEMS技術(shù)的慣性傳感器因具有體積小、質(zhì)量輕、低功耗、高靈敏等優(yōu)勢(shì)[3]而受到關(guān)注。MEMS慣性傳感器的出現(xiàn)一方面推動(dòng)了多元傳感器的集成化發(fā)展,同時(shí)使其與智能服裝的結(jié)合在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

本文主要總結(jié)了MEMS慣性傳感器的發(fā)展?fàn)顩r,對(duì)其構(gòu)成元件及工作原理進(jìn)行說(shuō)明,同時(shí)分析了MEMS慣性傳感器在運(yùn)動(dòng)健身、醫(yī)療健康、安全防護(hù)等智能服裝領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上指出當(dāng)前MEMS慣性傳感器在智能服裝領(lǐng)域應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題,并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 MEMS慣性傳感器的研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)慣性傳感器不同,MEMS慣性傳感器最早由半導(dǎo)體晶片制造工藝演變而來(lái)[4],并隨著MEMS技術(shù)、集成電路技術(shù)和加工工藝的進(jìn)步,以其輕便、低能耗、高精度、易集成等特點(diǎn)在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車導(dǎo)航、航空航天、移動(dòng)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域受到青睞,有著良好的應(yīng)用前景。MEMS慣性傳感器主要包括MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀、MEMS磁力計(jì)[5],在實(shí)際使用中也會(huì)將其中的二者或三者組合為MEMS慣性測(cè)量單元(MEMS-IMU)來(lái)提高測(cè)量精確性。

1.1 MEMS加速度計(jì)

加速度計(jì)是測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體加速度的主要傳感器件,也是重要的慣性敏感元器件。加速度計(jì)的原理主要依據(jù)牛頓第二定律,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物體產(chǎn)生加速度,導(dǎo)致在加速度計(jì)的阻尼系統(tǒng)中,由彈簧牽引的質(zhì)量塊受慣性做出反向位移,進(jìn)而產(chǎn)生電壓信號(hào)變化,以此來(lái)測(cè)得外界的加速度值。近年來(lái),微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了MEMS加速度計(jì)的快速發(fā)展。MEMS加速度計(jì)按傳感方式可分為壓阻式、電容式、壓電式、熱敏式等多種類型;按照加工工藝又可分為表面工藝與體硅工藝2種[6]。不同類型的MEMS加速度計(jì)在靈敏度、穩(wěn)定性等方面各有優(yōu)缺點(diǎn),其對(duì)比分析如表1。

表1 不同類型MEMS加速度計(jì)的對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of different types of MEMS accelerometers

隨著微電子技術(shù)與微制造技術(shù)的發(fā)展,尤其基于腔光力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外對(duì)MEMS加速度計(jì)的研究正不斷深入,研發(fā)了諸如微光機(jī)電系統(tǒng)(Micro Optical Electro Mechanical System,MOEMS)加速度計(jì)等更高精度、高性能和高度集成的加速度計(jì)以滿足未來(lái)更多需求[7-8]。

1.2 MEMS陀螺儀

陀螺儀是用于測(cè)量物體角速度與角位置的器件,由于加速度計(jì)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各軸向會(huì)產(chǎn)生含重力的加速度值,因而需要配合陀螺儀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的姿態(tài)角解算。與傳統(tǒng)陀螺儀相比,MEMS陀螺儀以哥式效應(yīng)(Coriolis)即科里奧利力為基礎(chǔ)[9],通過(guò)內(nèi)部電容變化來(lái)測(cè)算角速度值。圖1所示為ADXRS645型微陀螺儀(美國(guó)亞德諾(ADI)公司)外形圖,其沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件與軸承,更近似固態(tài)器件的結(jié)構(gòu),所以MEMS陀螺儀具有鮮明特點(diǎn):抗震、抗沖擊性能強(qiáng)、尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低且易于批量生產(chǎn),無(wú)論是在商用還是民用領(lǐng)域都擁有廣闊的市場(chǎng)前景[10],如在智能手機(jī)中加入MEMS陀螺儀可以增強(qiáng)拍照防抖,實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航、計(jì)步等功能[11]。但由于現(xiàn)代技術(shù)的局限性,MEMS陀螺儀也存在一定缺陷,在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大漂移和噪音導(dǎo)致精度下降。目前針對(duì)MEMS陀螺儀的誤差補(bǔ)償研究主要采用Allan方差、自回歸滑動(dòng)平均模型(Auto-Regression and Moving Average Model)、小波閾值法(Wavelet Thresholding)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network)等方法[12-13],均取得了優(yōu)異的補(bǔ)償效果,為未來(lái)更高要求的場(chǎng)合應(yīng)用提供了可能性。

圖1 ADXRS645微陀螺儀外形圖Fig.1 ADXRS645 micro gyroscope form factor

1.3 MEMS磁力計(jì)

磁力計(jì)是用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和定位方向的傳感器。MEMS加速度計(jì)與陀螺儀在使用過(guò)程中存在姿態(tài)發(fā)散[14]問(wèn)題導(dǎo)致精度差、定位時(shí)間短,依靠磁力計(jì)可以更好測(cè)算出載體方位角信息,解決姿態(tài)發(fā)散問(wèn)題從而提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性?；谖C(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的MEMS磁力計(jì)體積小、成本低,并且無(wú)磁滯或磁飽和現(xiàn)象、穩(wěn)定性強(qiáng)[15],是目前最具應(yīng)用潛力的磁傳感器之一,滿足了未來(lái)設(shè)備微型化、低成本的需求。盡管MEMS磁力計(jì)具備上述優(yōu)勢(shì),但其精度易受外界干擾,因此利用新技術(shù)、新材料對(duì)磁力計(jì)進(jìn)行誤差補(bǔ)償校正是當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向[16]。

1.4 MEMS慣性測(cè)量單元

慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)是用于測(cè)量物體三軸姿態(tài)角及加速度的裝置,一般由加速度計(jì)和陀螺儀組合而成,有的也會(huì)加入磁力計(jì)。隨著MEMS加速度計(jì)與MEMS陀螺儀的快速發(fā)展,1994年Draper實(shí)驗(yàn)室成功研制出由3個(gè)MEMS加速度計(jì)和3個(gè)MEMS陀螺儀組成的微機(jī)電系統(tǒng)慣性測(cè)量單元(MEMS-IMU)[17]。盡管MEMS-IMU在精度與性能參數(shù)上遜色于光纖IMU與激光IMU[18],但其繼承了MEMS慣性傳感器高集成、小體積、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì),因此在眾多領(lǐng)域具有良好適用性。目前較為先進(jìn)、成熟的商用MEMS慣性測(cè)量單元產(chǎn)品多為歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家所研發(fā),包括意大利意法半導(dǎo)體(ST)公司的LSM6DSM,德國(guó)博世(BOSCH)有限公司的BMI260,日本TDK集團(tuán)的ICM-42688-P等,如圖2所示,而國(guó)內(nèi)針對(duì)MEMS-IMU的研究起步較晚,目前仍具有一定差距。

圖2 代表性MEMS-IMU產(chǎn)品Fig.2 Representative MEMS-IMU products

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)傳感器的材料、工藝技術(shù)、誤差補(bǔ)償方法的深入研究,未來(lái)MEMS慣性傳感器的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性將得到進(jìn)一步提升,并能適用于不同場(chǎng)景,為其在智能服裝中的應(yīng)用提供支持。

2 MEMS在智能服裝領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

嵌入MEMS慣性傳感器的智能服裝在運(yùn)動(dòng)健身、醫(yī)療健康以及安全防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)之一,主要體現(xiàn)在對(duì)穿著者的姿態(tài)檢測(cè)、跌倒識(shí)別和動(dòng)作捕捉等方面。

2.1 運(yùn)動(dòng)健身領(lǐng)域

基于MEMS慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)健身類智能服裝在運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)測(cè)、鍛煉效果評(píng)估等方面發(fā)揮著重要作用。由慣性測(cè)量單元組成的可穿戴傳感系統(tǒng)相較視頻動(dòng)作捕捉系統(tǒng)或光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)更為便捷、可靠和高效,能夠適應(yīng)不同環(huán)境及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集[19-20]。洪文進(jìn)等[21]設(shè)計(jì)了一款以MEMS微傳感主控模塊為核心的智能運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣系統(tǒng),置入了基于MPU6050模塊的JY61型號(hào)MEMS慣性傳感器作為信號(hào)采集模塊,通過(guò)設(shè)定20 Hz和100 Hz 2種頻射閾值來(lái)判斷穿著者運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)時(shí)記錄人體原始運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從而保證運(yùn)動(dòng)安全。圖3所示為由BAX-U公司推出的BAX-U智能高爾夫運(yùn)動(dòng)衣,是一款嵌入包含MEMS慣性傳感器等多元傳感模塊的智能運(yùn)動(dòng)服。BAX-U智能運(yùn)動(dòng)衣在肩部、背部、盆骨及臀部添加傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)360°捕捉用戶日常生活及高爾夫運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài),同時(shí)配合APP進(jìn)行動(dòng)畫還原,幫助用戶減少在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因姿勢(shì)不當(dāng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)損傷以提高其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

圖3 智能高爾夫運(yùn)動(dòng)衣BAX-UFig.3 Smart golf sportswear BAX-IU

除了針對(duì)智能運(yùn)動(dòng)服裝本體的研究以外,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研發(fā)能夠長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)反饋的智能服裝系統(tǒng)。在王玉祥[22]開發(fā)的面向體育訓(xùn)練與康護(hù)的智能服裝系統(tǒng)中,其結(jié)合了基于BMX160九軸運(yùn)動(dòng)傳感器的可穿戴智能服裝和基于Pyqt5程序開發(fā)庫(kù)的軟件上位機(jī),實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的信息采集、反饋以及數(shù)據(jù)的三維可視化,輔助用戶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)健康管理的同時(shí)提升了人機(jī)交互的體驗(yàn)感。Chen等[23]采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32L151微傳感芯片開發(fā)了一套針對(duì)藝術(shù)體操運(yùn)動(dòng)的可視化系統(tǒng),通過(guò)MEMS慣性傳感器結(jié)合低通濾波精準(zhǔn)捕捉運(yùn)動(dòng)員的體操姿勢(shì),實(shí)現(xiàn)全面的運(yùn)動(dòng)信息分析,便于評(píng)估運(yùn)動(dòng)損傷并提供專業(yè)運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)。

由此可見(jiàn),MEMS慣性傳感器在智能運(yùn)動(dòng)服裝的功能表現(xiàn)中發(fā)揮了重要作用。隨著近年來(lái)大健康產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,基于MEMS慣性傳感器的智能運(yùn)動(dòng)服裝受到市場(chǎng)青睞,其使用場(chǎng)景也將進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 醫(yī)療健康領(lǐng)域

在醫(yī)療健康領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者依靠MEMS慣性傳感器對(duì)加速度、角速度的測(cè)算開發(fā)了擁有諸如步態(tài)監(jiān)測(cè)、姿態(tài)矯正等功能的智能服裝產(chǎn)品。李帥[24]針對(duì)職業(yè)人群長(zhǎng)期久坐導(dǎo)致不良坐姿的健康問(wèn)題設(shè)計(jì)了多傳感器協(xié)同的智能矯姿服裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)將MPU6050慣性傳感器與貼片電動(dòng)機(jī)、蜂鳴器等元件組合,分別放置于人體頸椎C7與胸椎T8位置來(lái)監(jiān)測(cè)脊椎曲度變化和靜坐時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)MEMS微傳感器監(jiān)測(cè)到加速度幅值持續(xù)20 min小于10 m/s2或姿態(tài)角持續(xù)6 s大于20°時(shí),貼片電動(dòng)機(jī)與蜂鳴器會(huì)發(fā)出震動(dòng)及聲音提示,以此避免穿著者長(zhǎng)時(shí)間久坐以及時(shí)糾正不良坐姿。高遠(yuǎn)航[25]將柔性慣性傳感器集成在彈力運(yùn)動(dòng)褲中,利用九軸MEMS慣性傳感器BWT901CL建立肢體坐標(biāo)系,通過(guò)卡爾曼濾波測(cè)算角速度獲得膝關(guān)節(jié)角度,從而對(duì)穿戴者的異常步姿進(jìn)行監(jiān)測(cè),為病情評(píng)估提供量化數(shù)據(jù)。

新型冠狀病毒(Covid-19)爆發(fā)以來(lái),基于MEMS微傳感器的可穿戴智能服裝及相關(guān)產(chǎn)品也為遠(yuǎn)程智慧醫(yī)療服務(wù)帶來(lái)了新的解決方案[26]。Armands等[27]開發(fā)了一款用于醫(yī)療保健的可穿戴傳感器服裝。圖4所示為用于醫(yī)療保健的可穿戴傳感器服裝,該服裝利用Ohmate彈性電線將多個(gè)BNO055型號(hào)MEMS微傳感器連接,并為電子元件及電池模塊設(shè)計(jì)了可拆卸的3D打印塑料外殼以保證服裝的可水洗性。通過(guò)傳感器能夠遠(yuǎn)程對(duì)用戶進(jìn)行生理活動(dòng)監(jiān)測(cè),尤其針對(duì)身體虛弱、具有運(yùn)動(dòng)障礙的患者能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督和病情評(píng)估,及時(shí)進(jìn)行治療干預(yù),為后續(xù)醫(yī)療方案制定提供依據(jù)。

圖4 用于醫(yī)療保健的可穿戴傳感器服裝Fig.4 Wearable sensor clothing for healthcare

2.3 安全防護(hù)領(lǐng)域

采用MEMS慣性傳感器開發(fā)的智能防護(hù)服裝在特殊作業(yè)、極限運(yùn)動(dòng)以及弱勢(shì)群體等防護(hù)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值,如在老年人防摔服中嵌入MEMS慣性傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)跌倒識(shí)別和預(yù)警,及時(shí)將數(shù)據(jù)反饋至親屬或遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)構(gòu)從而保證老人的安全[28-30]。李子丹等[31]設(shè)計(jì)的一款老年人智能化防摔馬甲中,基于MEMS微傳感器對(duì)老人人體加速度與位移距離進(jìn)行閾值設(shè)定。當(dāng)摔倒發(fā)生時(shí),人體加速度閾值異常即會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)并通過(guò)GPS發(fā)送信息至指定聯(lián)系人,同時(shí)自動(dòng)引爆在腰部的安全氣囊裝置提供緩沖,避免老人摔倒后產(chǎn)生二次傷害。

基于MEMS慣性傳感器的氣囊啟動(dòng)裝置也被用于高墜防護(hù)服、摩托車防護(hù)服、馬術(shù)防護(hù)服等智能安全防護(hù)服中[32-33]。杜子文等[34]在為高空作業(yè)人員開發(fā)的3款智能安全氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服中,利用由微傳感器疊加濾波器組成高精密度跌落識(shí)別裝置。該裝置通過(guò)陀螺儀測(cè)算人體姿態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài),通過(guò)重力及線性加速度計(jì)測(cè)量加速度值,從而精準(zhǔn)判別工人危險(xiǎn)情況并觸發(fā)氣囊裝置,實(shí)驗(yàn)證實(shí)該款智能服裝對(duì)墜落人員的髖關(guān)節(jié)、頸椎部位具有良好防護(hù)效果。2015年,瑞士安全生產(chǎn)商POC與法國(guó)In&Motion公司聯(lián)合開發(fā)了滑雪智能氣囊背心Spine VPD 2.0,見(jiàn)圖5。Spine VPD 2.0使用一系列集成式傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員沖擊水平,通過(guò)內(nèi)部算法判定是正常飛躍、降落還是發(fā)生意外危險(xiǎn)情況。利用慣性傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)開啟氣囊,對(duì)運(yùn)動(dòng)員的脖頸、脊椎、臀部等重要人體部位提供緩沖防護(hù),保障運(yùn)動(dòng)員生命安全。

圖5 滑雪智能氣囊背心Fig.5 Ski smart airbag vest

綜上所述,智能服裝利用MEMS慣性傳感器對(duì)人體的加速度值、位移距離及姿態(tài)角進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并借助無(wú)線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新興科技實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)、姿態(tài)矯正、運(yùn)動(dòng)防護(hù)等功能,滿足了不同穿著者在不同使用場(chǎng)景中的多樣化需求。

3 MEMS在智能服裝中的應(yīng)用問(wèn)題分析

MEMS慣性傳感器與智能服裝的結(jié)合在服裝本體與電子元器件的開發(fā)上均面臨挑戰(zhàn)?；贛EMS慣性傳感器的智能服裝需要確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及安全性,同時(shí)服裝本體的舒適性和美觀性問(wèn)題應(yīng)當(dāng)予以重視。為了實(shí)現(xiàn)智能服裝的可持續(xù)化發(fā)展,還需通過(guò)新材料與加工工藝解決此類服裝的耐水洗性和耐久性問(wèn)題。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

微加速度計(jì)與微陀螺儀在實(shí)際使用中因自身安裝、信息傳輸或外界干擾易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移、溫度漂移等誤差問(wèn)題,導(dǎo)致傳感精度下降,采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此,針對(duì)智能服裝中的傳感元件在硬件和軟件層面的誤差補(bǔ)償亟待解決,如使用新材料、改進(jìn)加工工藝或基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[35]等補(bǔ)償算法來(lái)提高姿態(tài)檢測(cè)精度,保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.2 服用安全性

嵌入MEMS慣性傳感器件的智能服裝目前存在物理安全與信息安全問(wèn)題[36]。一方面,電子元件本身在材質(zhì)、加工工藝等方面存在安全隱患;另一方面,基于無(wú)線通信技術(shù)的個(gè)人信息存儲(chǔ)、傳輸和反饋需得到數(shù)據(jù)的保護(hù)及監(jiān)管,建立標(biāo)準(zhǔn)體系保證“E安全”[37],防止由微傳感器采集到的隱私數(shù)據(jù)產(chǎn)生泄露或非法使用問(wèn)題。

3.3 舒適性與美觀性

MEMS慣性傳感器常被安裝在人體軀干關(guān)節(jié)部位以此來(lái)檢測(cè)活動(dòng)姿態(tài),而傳統(tǒng)剛性材料與服裝本體的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致服裝的穿著舒適性及耐久性大大降低。并且,當(dāng)前針對(duì)智能服裝的研究往往側(cè)重于傳感器等電子元件及相關(guān)技術(shù)的功能性開發(fā),而忽略了穿著者的審美需求,智能服裝的美觀性亦有待提高。

3.4 耐水洗性與耐久性

智能服裝的日常水洗及保養(yǎng)問(wèn)題一直以來(lái)備受關(guān)注?，F(xiàn)有智能服裝產(chǎn)品主要依靠模塊化的可拆卸設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)日常洗滌,而慣性微傳感元件與電路系統(tǒng)本身的防水性、耐水洗性[38]仍需增強(qiáng),如使用新材料或工藝從而提高智能服裝的使用壽命。此外,微傳感器在日常使用中存在摩擦、拉伸變形等情況,智能服裝的耐久性問(wèn)題同樣面臨挑戰(zhàn)。

4 未來(lái)趨勢(shì)與展望

依托微電子技術(shù)、傳感技術(shù)及通信技術(shù)等高新科技的發(fā)展,微型MEMS慣性傳感器與智能服裝的結(jié)合在諸如智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老、智慧健身等領(lǐng)域具有良好的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿?。基于MEMS慣性傳感器的智能服裝開發(fā)需要充分考慮服用性能、服裝本體及電子元件材質(zhì)、消費(fèi)者需求、生產(chǎn)技術(shù)等多重因素,并朝著集成化、智能化、人性化方向不斷發(fā)展。

4.1 多功能集成化

面對(duì)用戶多樣化、個(gè)性化需求的增多以及對(duì)數(shù)字化生活的不斷深入探索,僅具備單一功能的智能服裝不足以滿足未來(lái)的市場(chǎng)需求?；贛EMS慣性傳感器的智能服裝應(yīng)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種前沿科技,打造多功能集成化的智能服裝系統(tǒng)。如黃東鋒等[39]將MEMS慣性傳感器與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合開發(fā)了下肢康復(fù)用的可穿戴設(shè)備系統(tǒng),通過(guò)技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)的步態(tài)監(jiān)測(cè)、3D交互式的游戲娛樂(lè)與遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)等多重功能。

4.2 柔性化與微型化

柔性傳感器與柔性織物的開發(fā)為MEMS慣性傳感器與智能服裝的結(jié)合提供了新思路。采用聚合物材料、薄膜材料及紡織材料等柔性基底材料與傳感材料融合[40-41],開發(fā)柔性化的傳感器、電池和導(dǎo)線,從而提升智能服裝的服用舒適性。同時(shí),納米技術(shù)與集成技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)MEMS慣性傳感器進(jìn)一步微型化,為多元件集成提供可能。

4.3 可兼容與可循環(huán)

在萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代,智能服裝的兼容性受到關(guān)注。MEMS慣性傳感器采集的人體數(shù)據(jù)除了搭配服裝產(chǎn)品自身的APP使用外,可考慮與用戶所使用的多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行信息系統(tǒng)兼容,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和及時(shí)同步[42]。此外,應(yīng)關(guān)注智能服裝的綠色化、可持續(xù)化發(fā)展,通過(guò)材料、工藝或功能的創(chuàng)新提高其使用價(jià)值,增強(qiáng)其循環(huán)使用能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system, MEMS)慣性傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀入手,分析了MEMS慣性傳感器在運(yùn)動(dòng)健身、醫(yī)療健康、安全防護(hù)等不同智能服裝中的應(yīng)用,明確了當(dāng)前此類智能服裝發(fā)展所面臨的問(wèn)題與未來(lái)趨向。國(guó)內(nèi)對(duì)于MEMS慣性傳感器的研究尚處于起步階段,基于MEMS慣性傳感器的智能服裝需在硬件與軟件上不斷優(yōu)化,保障傳感器在數(shù)據(jù)采集方面的準(zhǔn)確性與安全性。同時(shí)應(yīng)重視智能服裝本體的舒適美觀問(wèn)題與可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題及市場(chǎng)需求,未來(lái)的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注智能服裝的多功能集成化發(fā)展,基于新材料與技術(shù)開發(fā)柔性、微型的傳感元件,并提高服裝的兼容性和循環(huán)性。通過(guò)MEMS慣性傳感器結(jié)合前沿科技,搭建更為智能化的服裝系統(tǒng),推動(dòng)智能服裝集成化、互聯(lián)化、人性化、綠色化發(fā)展。